在微型传感器、电子电路等高科技设备中，纳米级薄板因其轻量化和能量转换特性备受关注。然而，这类结构常因制造工艺产生表面凹凸或厚度不均的“先天缺陷”，导致力学性能不稳定。近期，越南科学技术院联合多家机构在《结构与土木工程前沿》发表论文，首次系统揭示了可变厚度纳米板在弹性地基上的力学响应规律，并量化了几何缺陷对性能的影响。

当纳米板遇上“不完美”

纳米板的厚度通常在几十纳米级别（相当于头发丝的千分之一），微小的形状偏差就可能导致结构变形或失效。研究团队模拟了九种常见几何缺陷，包括局部凹陷、波浪形起伏等（图2）。通过改进的“剪切变形理论”和有限元模型，他们发现：缺陷幅度每增加0.1%，纳米板的最大弯曲位移可能增加15%，而临界屈曲载荷下降高达20%。这就像给脆弱的玻璃杯增加裂痕，稍大压力就会引发崩溃。

实验还发现，弹性地基的支撑效果并非一成不变。当基底刚度参数β_x从0.2提升至0.5时，纳米板的振动频率可提高30%，相当于在松软沙地上铺一层混凝土，显著增强结构稳定性。

破解厚度变化的“双刃剑效应”

传统纳米板多为均质结构，但实际应用中常需通过厚度变化优化性能。论文对比了线性、非线性等五种厚度变化模式：当厚度沿长度方向线性增加（参数℘=0.5），其抗弯刚度提升40%，但质量仅增加25%，实现了“减重增效”。然而，若厚度变化过快（如指数级增长），局部应力集中会导致缺陷敏感度激增，反而降低可靠性。

更有趣的是，特定厚度分布能“抵消”几何缺陷的影响。例如，对于局部凹陷型缺陷（LT3），采用中间厚、边缘薄的抛物线型厚度设计，可使振动频率恢复至无缺陷状态的98%。这为“缺陷补偿”提供了新思路。

从实验室到产业化的“最后一公里”

研究团队通过五个验证案例证明了模型的准确性：在10×10网格划分下，静态弯曲计算结果与经典理论误差小于2%（表1）。他们还开发了通用计算框架，可适配不同边界条件（如简支、固支）和复杂载荷场景。

这些成果已用于优化压电传感器的微型悬臂梁设计。通过调整厚度分布和缺陷容忍度，某型号传感器的信噪比提升了3倍，寿命延长至500万次循环。研究负责人指出：“未来可通过3D打印精准控制纳米板形态，让‘缺陷’从性能杀手变为可控变量。”

论文同步公开了有限元代码和测试数据集，为工程师提供了“即插即用”工具包。随着柔性电子和微纳机器人发展，这项研究或将成为解锁下一代智能器件的关键钥匙。

来源: FrontClVlL